武安市礦山鎮鐵礦冒落塌陷分析與預測

宋鵬杰

【摘 要】通過對武安市礦山鎮鐵礦采空區可能冒落的總結分析，借助附近鐵礦的經驗分析，對礦山鎮鐵礦未來開采可能出現的采空塌陷區進行了分析預測。

【Abstract】Through summing up and analyzing the possible caving of goaf in the iron mine of Kuangshan town in Wuan city， and with the help of the empirical analysis of the nearby iron mine， the paper analyzes and forecasts the goaf subsidence area that may occur in the future mining of the iron mine in Kuangshan town.

【關鍵詞】采空區；冒落；塌陷區；預測

【Keywords】 goaf area； caving； subsidence area； predict

【中圖分類號】TD32 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）11-0151-02

1 礦區概況

礦區位于武安凹斷束北端，區內地層總體產狀為北北東，傾向南東東，傾角一般為5～15°，局部較陡，區內有一些小型的褶皺背斜與向斜；斷裂以正斷層為主，構造線的方向北北東～北向為主，其次為北東東向。礦山鎮鐵礦為一埋藏較深、規模較大、品位較高的矽卡巖型磁鐵礦床。中關～礦山鎮背斜是區內主要控巖、控礦構造。礦區內較厚礦體為Ⅰ-1、Ⅱ-1礦體，礦層傾角10～15°，局部45°左右。

2 采空區塌陷預測研究分析

地下礦層大面積采空后，礦層上部的巖層失去支撐，平衡條件破壞，使巖層塌落、彎曲，以致引起地面下沉變形。繼而形成移動盆地，移動盆地的邊界通常超出地下采空區的邊界范圍。本礦區鐵礦層直接頂板為奧陶系中統灰巖，巖石多致密堅硬，在構造有利部位裂隙極為發育。底部為閃長巖、蝕變閃長巖，較為堅硬，局部蝕變部位較破碎。

本區內鐵礦體多呈透鏡狀、囊狀、條帶狀。較厚部位在ZK08、ZK06、CK10孔附近，鐵礦體呈透鏡狀，其直接頂板為磁縣組厚層大理巖，巖性堅硬完整，裂隙發育。由此我們可以參閱西石門鐵礦的塌陷情況。

采空區在上覆巖石自重應力作用下，促使采空區頂板某一高度內巖層發生破裂和冒落，由下往上分為冒落帶、裂隙帶、整體下沉帶[1]。冒落下來的巖石碎塊由于碎脹，體積有一定的增大，根據附近西石門鐵礦資料，碎脹系數取1.2，其中冒落帶高度可以用下列經驗公式計算：

3 預測結果

地表塌陷坑深度等于采空區頂板冒落高度減去鐵礦層埋深，當開采深度小于冒落帶高度時，地表就會產生塌陷。當開采深度大于冒落帶高度而小于裂隙帶高度時，地表只產生裂縫。采空區地表塌陷坑四周及附近總有伴生裂縫相隨產生，塌陷坑一般呈橢圓形，當采空區冒透地表時，地表的變形與破壞表現為在塌陷區的周邊形成許多間隔的斷裂線。約在ZK06、CK10孔周邊及ZK08孔周邊，在36600m2范圍內預測采空后將會出現兩個主要塌陷坑，呈橢圓形，分別為：

預測1#塌陷坑：長軸約70m，短軸約40m，最大深度約為48.68m。預測2#塌陷坑：長軸約120m，短軸約75m，最大深度約為139.33m。該兩坑可能在此基礎向四周擴展，尤其預測2#塌陷坑深度大，其擴展較預測1#塌陷坑有更大空間。計算結果見表1。

4 采空區頂板冒落過程分析

根據采空區頂板巖性、空區狀態、空區頂部穹拱及采礦實踐，分析空區頂板冒落過程，主要包括以下4個階段：

初始冒落階段。采空區內礦石采出后，頂板處于臨空狀態，在拉應力的作用下，穹拱平衡被打破，巖體順節理擴展、貫通，導致巖體破壞并在自重作用下自然崩落下來，形成新的穹拱。

間斷冒落階段。空區頂板塌陷后暴露面積不斷擴大，更多巖體參與繼續順節理向上發展，不時發生冒落，穹拱在趨于平衡但達不到平衡的情況下向上發展，冒落范圍呈間斷性地擴大，穹拱也呈間斷性向上擴張。

地表冒落階段。當空區頂板冒落接近地表時，穹拱頂部巖石隨臨空面積增大常常產生整體變形和破壞，周邊受剪應力破壞常以突發形式呈大規模冒落，此時可能引發具有危害性的氣浪，同時造成穹拱被破壞。

擴展下移階段。空區上部地表崩落后，周邊巖石逐漸向空區崩落、崩落下來的周邊巖石充填到空區，空區崩落邊界逐漸向外擴展至達到新的平衡狀態采空區塌陷結束。

由此我們可以發現空區頂板的冒落形式：前期及后期主要是順節理或裂隙發展的以散體形式冒落，中后期是受周邊剪應力影響而大規模的批量冒落。

5 結語

采空區地面塌陷是一個復雜的拉應力、剪應力針對巖層的方向不斷變化、位置不斷變化的，且時間與空間不連續的變化過程，具有間斷性和突發性，并且與采空區頂板的巖性、構造及裂隙發育程度有很大的聯系，也與冒落后形成的穹拱形狀有關[2]。但是地表塌陷總有伴生裂縫相隨且提前出現，地裂縫總沿一定方向延伸，在同一地點同一地區地裂縫延伸方向大致相同或相似。將來礦區可通過對采空區地表塌陷區的伴生裂縫裂隙研究分析觀測，能夠更加準確地掌握塌陷區在具體時空上的發生發展變化。

在開采中應根據采空區的空間形態大小規模采取適當方法進行提前預防，以阻止礦體頂板含水層石灰巖裂隙的擴展延伸而有可能引起的局部涌水量突然增大；同時還可避免塌陷后，塌陷坑地表處的兩個沖溝逢雨季時雨水灌入。根據不同情況可采取回填礦渣、噴漿支護、錨桿支護、錨噴支護、錨網支護等措施，避免并減少坍塌，降低地表出現塌陷坑的幾率，將危險系數盡力降低。

【參考文獻】

【1】清望，任鳳玉.西石門鐵礦南區采空區的冒落規律分析[J].中國礦業，2001 ， 10 （3） ：42-44.

【2】孟玉雙，趙偉，王春紅.鐵礦采空區冒落塌陷規律研究[J].采礦技術， 2009 ， 26 （1） ：19-20.